發(fā)熱-西安交大高壓電器

1、發(fā) 熱允許溫度n高壓電氣設(shè)備在工作中都會(huì)發(fā)熱。高壓電器發(fā)熱的主要問題在于，零部件的溫度過高可能使材料的物理、化學(xué)性能起變化，機(jī)械性能和電氣性能下降，最后導(dǎo)致高壓電器的工作故障甚至造成嚴(yán)重事故。為保證高壓電器在工作年限內(nèi)可靠工作，必須限制各種材料的發(fā)熱溫度使其不超過一定數(shù)值這個(gè)溫度就是最高允許發(fā)熱溫度簡稱最高允許溫度。n國家標(biāo)準(zhǔn)GB763交流高壓電器在長期工作時(shí)的發(fā)熱規(guī)定了高壓電器各部分的零件、材料和介質(zhì)在長期工作時(shí)的最高允許溫度。同時(shí)給出了在周圍空氣溫度為40時(shí)的最高允許溫升值（允許溫升為允許溫度和周圍空氣溫度之差)。n高壓電器短時(shí)通過短路電流時(shí)、允許溫度可以比長期工作的允許溫度高些 。最大允

2、許溫度的確定n金屬材料的允許溫度 金屬材料的允許溫度決定于材料的機(jī)械強(qiáng)度是否變化。溫度過高，材料軟化，機(jī)械強(qiáng)度明顯下降。n 接觸連接的允許溫度 接觸連接在高壓電器中用得很多，可分接觸連接觸頭是開關(guān)電器最關(guān)鍵的部件，其所有動(dòng)作職能都是通過觸頭來實(shí)現(xiàn)的。因此，對觸頭及其它接觸連接部分的工作溫度規(guī)定得尤其嚴(yán)格，接觸連接(包括觸頭)的長期允許溫度比同樣材料制作的其它零件的允許溫度低很多。接觸連接的允許溫度主要決定于接觸電阻的穩(wěn)定性。接觸連接處溫度如過高，接觸表面會(huì)強(qiáng)烈氧化、接觸電阻會(huì)劇烈增加。n絕緣材料的允許溫度 有機(jī)絕緣材料溫度過高，會(huì)使材料逐步變脆老化，材料的絕緣性能也隨之下降。電氣絕緣材料的耐熱

3、分級(jí)nY級(jí)：由非浸漬的棉、絲及紙等材料或由它們構(gòu)成的復(fù)合物構(gòu)成的絕緣，如憑經(jīng)驗(yàn)或驗(yàn)收試驗(yàn)證實(shí)能在Y級(jí)溫度下運(yùn)行的其它材料，則可包括在本級(jí)內(nèi)。（ 最高允許溫度：90 ）nA級(jí)：經(jīng)適當(dāng)浸漬、涂覆的或浸在絕緣介質(zhì)(如油)中的棉、絲及紙等材料或其復(fù)合物構(gòu)成的絕緣。如憑經(jīng)驗(yàn)或驗(yàn)收試驗(yàn)證實(shí)能在A級(jí)溫度下運(yùn)行的其它材料或其復(fù)合物，則可包括在本級(jí)內(nèi)。 （ 最高允許溫度：105 ）nE級(jí)：憑經(jīng)驗(yàn)或驗(yàn)收試驗(yàn)證實(shí)能在E級(jí)溫度下運(yùn)行的材料或其復(fù)合物構(gòu)成的絕緣。 （ 最高允許溫度：120 ）n B級(jí)：由用適當(dāng)粘合劑的云母、玻璃纖維、石棉等材料或其復(fù)合物構(gòu)成的絕緣。如憑經(jīng)驗(yàn)或驗(yàn)收試驗(yàn)證實(shí)能在B級(jí)溫度下運(yùn)行的其它材料或其復(fù)

4、合物，不一定是無機(jī)材料，則可包括在本級(jí)內(nèi)。（最高允許溫度：130 ）nF級(jí)：由用適當(dāng)粘合劑的云母、玻璃纖維、石棉等材料或其復(fù)合物構(gòu)成的絕緣。如憑經(jīng)驗(yàn)或驗(yàn)收試驗(yàn)證實(shí)能在F級(jí)溫度下運(yùn)行的其它材料或其復(fù)合物，不一定是無機(jī)材料則可包括在本級(jí)內(nèi)。 （ 最高允許溫度：155 ）nH級(jí)：由硅橡膠和用硅環(huán)氧樹脂作粘合劑的云母、玻璃纖維、石棉等材料或其復(fù)合物組成的絕緣。如憑經(jīng)驗(yàn)或驗(yàn)收試驗(yàn)證實(shí)能在H級(jí)溫度下運(yùn)行的其它材料或其復(fù)合物，則可包括在本級(jí)內(nèi)。 （ 最高允許溫度：180 ）nC級(jí)：由有或沒有無機(jī)粘合劑的云母、瓷、玻璃和石英等材料或其復(fù)合物組成的絕緣。如憑經(jīng)驗(yàn)或驗(yàn)收試驗(yàn)證實(shí)能在H級(jí)溫度極限以上運(yùn)行的其它材料或

5、其復(fù)合物，則可包括在本級(jí)內(nèi)。本級(jí)內(nèi)某種特定材料或其復(fù)合物的溫度極限，應(yīng)按其物理、化學(xué)和電氣特性而定。 熱的產(chǎn)生（熱源）n電阻損耗 電流流經(jīng)高壓電器導(dǎo)電部分時(shí)，由于導(dǎo)體有電阻，因此發(fā)熱產(chǎn)生電阻損耗。2PI R 對于交流電路而言，受集膚效應(yīng)和鄰近效應(yīng)的影響，導(dǎo)體的截面并未得到有效的使用，其電阻值比直流時(shí)大，此時(shí)的功率損耗為2fPK I Rn鐵磁損耗電器中的載流導(dǎo)體有時(shí)要從鐵磁零件附近通過。由于鐵的磁導(dǎo)率高，磁通將通過鐵磁零件而成閉路。如果導(dǎo)體通過的電流為交流，則交變磁通在鐵磁體內(nèi)產(chǎn)生渦流和磁滯損耗。n介質(zhì)損耗 絕緣材料中的介質(zhì)損耗與電場強(qiáng)度及頻率有關(guān)。電場強(qiáng)度超大和頻率越高，則介質(zhì)損耗也越大。低壓

6、電器中介質(zhì)損耗常小得可忽略不計(jì)，但在高壓電器中這種損耗一般應(yīng)該考慮（例如，電容套管常因介質(zhì)損耗發(fā)熱而擊穿）。交變電場中的介質(zhì)損耗為22tantan/icpfCURX傳熱的基本方式n熱傳導(dǎo)任何物質(zhì)的基本質(zhì)點(diǎn)都具有一定的內(nèi)能，質(zhì)點(diǎn)與質(zhì)點(diǎn)之間常有能量相互作用。熱傳導(dǎo)現(xiàn)象的實(shí)質(zhì)是質(zhì)點(diǎn)間的直接作用，把能量從一個(gè)質(zhì)點(diǎn)傳遞到另一個(gè)相鄰質(zhì)點(diǎn)。在絕緣的液體和固體中，質(zhì)點(diǎn)間的能量傳遞是通過彈性波進(jìn)行的。氣體中的熱傳導(dǎo)還伴隨著原于和分于的擴(kuò)散，金屬中則有電子的擴(kuò)散。分析熱傳導(dǎo)現(xiàn)象必須用到著名的傅里葉定律。該定律說，單位時(shí)間內(nèi)通過物體單位面積的熱量與該處的溫度梯度成正比。n熱對流熱對流僅在流體(液體和氣體)中存在，對

7、流的實(shí)質(zhì)是粒子的彼此相對移動(dòng)而產(chǎn)生熱能轉(zhuǎn)移。在流體對流的過程中，常伴隨著熱傳導(dǎo)現(xiàn)象。對流分自然對流和強(qiáng)迫對流。自然對流發(fā)生在不均勻加熱的流體中，在高溫區(qū)，粒子密度比低溫區(qū)的小，溫度較高的粒子向上遷移，溫度較低的粒子向下遷移。這種因粒子密度的不均勻性產(chǎn)生的自然上升力和下降力，導(dǎo)致了流體中的自然對流和熱交換。在中小容量電器中，一般都采用自然對流散熱。強(qiáng)迫對流是在外界因素強(qiáng)迫作用下形成的，例如用氣流或液流進(jìn)行強(qiáng)吹和強(qiáng)冷，這在某些強(qiáng)電流電器或高頻電器中采用。 對流有層流和紊流兩種形式。前者粒子運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)是速度較低，運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，粒子平行分層運(yùn)動(dòng)。后者的特點(diǎn)是粒子運(yùn)動(dòng)速度高，形成旋渦式的紊亂運(yùn)動(dòng)。n熱輻射熱

8、輻射是由電磁波傳播能量物體的熱輻射功率與發(fā)熱體溫度的4次方和吸收體溫度的4次方之差成正比。國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，電器零部件的極限允許溫度只有百度數(shù)量級(jí)，因而它們的輻射功率較小，其散熱過程主要是對流和傳導(dǎo)。對于電弧而言，它的溫度很高，在萬度數(shù)量級(jí)，因而電弧的輻射功率不能忽略。實(shí)際的傳熱情況n固體零件：在固體零件中主要以熱傳導(dǎo)方式傳熱。n真空：只有熱輻射方式能通過真空傳熱。n流體薄層：由于流體的對流運(yùn)功受到空間的限制，在氣體層中起傳熱作用的有熱傳導(dǎo)及熱輻射，在油層中只有熱傳導(dǎo)起傳熱作用。由于氣體和油的熱導(dǎo)率都很小，所以薄流體層的熱阻很大，當(dāng)氣體層或油層的厚度較大時(shí)，對流換熱的作用逐漸加大，熱阻反而減小，因

9、此，從加強(qiáng)散熱角度出發(fā)、在結(jié)構(gòu)中應(yīng)避免出現(xiàn)薄氣體層和油層。n能自由對流的流體內(nèi)部：在能自由對流的流體內(nèi)部主要采用對流換熱方式傳熱由于流體的對流作用，流體內(nèi)部溫差很小，流體上層溫度稍高于下層溫度。n固體表面與流體間：當(dāng)流體介質(zhì)為氣體時(shí)，以對流換熱和熱輻射方式傳熱；當(dāng)介質(zhì)為油時(shí)以對流換熱方式傳熱。牛頓公式n 根據(jù)熱傳遞物理過程的不同，曾分別討論過傳導(dǎo)、對流和輻射三種散熱形式，然而在實(shí)際應(yīng)用中，為了簡使起見，常把三種散熱形式合并在一起考慮，這就是工程上常用的牛頓熱計(jì)算公式n物體的散熱是一個(gè)極其復(fù)雜的過程，影響散熱的因素很多。綜合散熱系數(shù)包含了所有的傳熱形式，因而各種具體條件對其數(shù)值的影響極大，而實(shí)驗(yàn)

10、數(shù)據(jù)又是在特定條件下得到的，這就要求在選用時(shí)必須慎重對待。其次，對于有效散熱面的選取，也必須根據(jù)不同的具體對象，對散熱情況進(jìn)行分析后確定。0sTsTPK APAK總散熱功率有效散熱面積發(fā)熱體的溫升 綜合散熱系數(shù)發(fā)熱體升溫過程電器通電產(chǎn)生的功率損耗一部分散失到周圍介質(zhì)中去，一部分加熱電器使其溫度升高。根據(jù)熱平衡原理，電器的發(fā)熱等于散熱加吸熱。TTPdtK A dtcmdPdtdtK A dtdtcmddtdcm在 時(shí)間內(nèi)電器總的發(fā)熱量在 時(shí)間內(nèi)電器總的散熱量在 時(shí)間內(nèi)電器溫度升高時(shí)所吸收的熱量比熱容發(fā)熱體質(zhì)量0/000/0,;,10,140.98wTt Tt TwTwt TwwPttK Aeec

11、mTTK AtetT 電器的熱時(shí)間常數(shù)，電器開始通電時(shí)的溫升，稱為起始溫升電器通電經(jīng)無限長時(shí)間后的溫升，稱為穩(wěn)定溫升當(dāng)時(shí)，則電器通電以后，其溫升隨時(shí)間按指數(shù)規(guī)律增長，當(dāng)時(shí)，接近于穩(wěn)定溫升不同工作制下的熱計(jì)算n長期工作制電器工作于長期工作制時(shí)，其工作時(shí)間通常大于8h，有的連續(xù)工作幾天，甚至幾個(gè)月。可以證明，實(shí)際上電器到達(dá)穩(wěn)定溫度的時(shí)間往往不需要8h或更長的時(shí)間。n短時(shí)工作制 如果電器工作的時(shí)間很短，小于4倍熱時(shí)間常數(shù)，則在通電時(shí)間內(nèi)電器溫升不會(huì)達(dá)到穩(wěn)定溫升。為了使電器得到充分利用，我們可以加大電器的電流進(jìn)行超載運(yùn)行，只要使電器短時(shí)通電末了的溫升等于長期通電時(shí)的穩(wěn)定溫升，電器便不會(huì)損壞。n反復(fù)短時(shí)

12、工作制反復(fù)短時(shí)工作制是指電器在通電和斷電交替循環(huán)的情況下工作，電器通電和斷電的時(shí)間小于4倍熱時(shí)間常數(shù)。短路電流下的熱計(jì)算和電器的熱穩(wěn)定性n 許多電器都必須經(jīng)受短路電流的考驗(yàn)，在一定時(shí)間內(nèi)電器承受短路電流引起的熱作用而不致?lián)p傷電器的能力稱為電器的熱穩(wěn)定性。短路時(shí)導(dǎo)體的熱計(jì)算主要是校核其熱穩(wěn)定性。n電器的熱穩(wěn)定性用I2t表示。n短路電流通過導(dǎo)體時(shí)的發(fā)熱有兩個(gè)顯著的特點(diǎn)，一是通電的時(shí)間很短(例如短路時(shí)間0.005T)，導(dǎo)體還來不及向周圍介質(zhì)散熱，因而可假定為絕熱升溫過程，二是導(dǎo)體的允許溫度高(例如銅導(dǎo)體為3000度)，必須考慮導(dǎo)體的電阻率隨溫度而變。根據(jù)這兩個(gè)特點(diǎn)可以寫出導(dǎo)體的熱平衡方程。小結(jié)n電器

13、在工作時(shí)由于有電流通過導(dǎo)體而產(chǎn)生電阻損耗；對于交流電器由于考慮導(dǎo)體的集膚效應(yīng)和鄰近效應(yīng)，在導(dǎo)磁體中除電阻損耗外還有磁滯和渦流損耗；對于高壓交流電器還要考慮介質(zhì)損耗。所有這些損耗幾乎全變?yōu)闊?，一部分散失到周圍介質(zhì)中去，一部分加熱電器，使它的溫度升高。n電器的零部件溫升過高，會(huì)導(dǎo)致機(jī)械強(qiáng)度降低和絕緣損壞，因此標(biāo)準(zhǔn)中對不同工作制下電器各零部件的極限允許溫升有明確規(guī)定。n電器的散熱有傳導(dǎo)、對流和輻射，三種方式可以用一個(gè)綜合的散熱系數(shù)來考慮，這就是牛頓公式。n計(jì)算電器溫升的基本方程是熱平衡方程，其中包含發(fā)熱、散熱和吸熱三項(xiàng)。在穩(wěn)定狀態(tài)下吸熱項(xiàng)為零，短時(shí)發(fā)熱時(shí)可不考慮散熱項(xiàng)。n電器的工作制有長期工作制短時(shí)工作制和反復(fù)短時(shí)工作制。n電器加熱和冷卻對應(yīng)的溫度上升和下降的過程是指數(shù)曲線。表征溫度上升和下降快性的是熱時(shí)